Матрица видеокамеры: что это и как она влияет на качество изображения

Матрица видеокамеры: что это и как она влияет на качество изображения?

Видеокамеры в системах видеонаблюдения, — это сложные электронные устройства, состоящие из многих компонентов. Одним из ключевых элементов любой камеры является светочувствительная матрица, выполняющая функцию преобразования оптического изображения в электрический сигнал. Благодаря этому компоненту формируется цифровая картинка, которую пользователь видит на экране.

От качества и характеристик матрицы зависит не только чёткость изображения, но и его детализация, цветопередача, уровень шумов при слабом освещении, а также возможность работы камеры в ночное время. По оценкам специалистов, она на 80% определяет общее качество видеосъёмки, особенно при плохом освещении, высокой контрастности сцены или резких перепадах яркости.

Матрицы бывают разных типов, с разными принципами действия, чувствительностью и разрешением. И если раньше выбор ограничивался несколькими моделями, то сегодня есть десятки вариантов, различающихся не только по техническим параметрам, но и по цене.

Наша статья рассказывает, как работает матрица видеокамеры, знакомит с её основными видами, описывает важнейшие технические характеристики и объясняет, как подобрать вариант под конкретные задачи — наблюдение за офисом, охрана частного дома или контроль за уличной территорией в условиях недостаточной освещенности.

Принцип работы матрицы камеры видеонаблюдения

Она построена на основе ячеистой структуры, отличающейся у аналоговых и цифровых камер. Каждая отдельная ячейка – это фотодиод, выдающий электрический сигнал при попадании на него светового потока. При помощи объектива на светочувствительной матрице фокусируется изображение объекта съемки. 

Спроецированное оптическое изображение распределяется по множеству ячеек, а затем преобразуется в последовательность электрических сигналов. В аналоговых камерах сигналы проходят далее по всей схеме и обрабатываются в аналоговом формате. В цифровых видеокамерах вначале выполняется аналого-цифровое преобразование. Далее видеосигналы поступают на микропроцессор, который выполняет их обработку.

Типы матриц камер видеонаблюдения

Познакомимся с основными типами, которые встречаются на видеокамерах, представленных на российском рынке.

CCD

CCD матрица устанавливается только на аналоговых камерах. Это полупроводниковый прибор, ячейки которого заряжаются при их освещении. Накопленные ими заряды преобразуются в аналоговый видеосигнал, который усиливается и передается по кабельной линии на видеорегистратор.

Плюсы CCD:

• минимум шумов;

• высокое заполнение пикселов – до 95%;

• высокое значение эффективности – до 90%;

• широкий динамический диапазон;

• повышенная светочувствительность.

Минусы: 

• сложность считывания сигналов;

• трудоемкость изготовления;

• дорогое производство;

• повышенное энергопотребление – до 4 Ватт.

CMOS

CMOS матрицы используются в большинстве цифровых IP камер видеонаблюдения. Это высокотехнологичные электронные устройства, которые состоят из светочувствительного сенсора с ячейками-пикселями, АЦП и усилителя. CMOS выдает готовый видеосигнал в цифровом формате.

Источник изображения: интернет

Плюсы CMOS:

• повышенное быстродействие за счет произвольного считывания сигналов с ячеек;

• минимальное потребление электроэнергии;

• простота и невысокая стоимость производства;

• перспективы технологии, которые позволяют реализовать полноценную цифровую камеру на одной микросхеме.

Минусы:

• невысокая чувствительность из-за небольшого коэффициента заполнения пикселов;

• больше шумов по сравнению с CCD;

• небольшая величина динамического диапазона.

Live-MOS

Матрицы Live-MOS разработаны на базе технологии CMOS с учетом всех ее недостатков. В Live-MOS намного снижен уровень шумов, а также значительно повышена чувствительность за счет увеличения полезной площади светочувствительных элементов.

Характеристики 

Размер

Это длина диагонали матрицы в формате дроби. Типовые значения 1/2", 1/3", 1/4". Вместо обычного дюйма единицей измерения является видикон, который равен 16 мм. То есть размер 1/2" фактически равен 8 мм. 

Больший размер улучшает качество видео, благодаря большему количеству пикселей. Это особенно актуально для ночной видеосъемки. От размера зависит угол обзора камеры: чем он меньше, тем меньше территория, охватываемая видеокамерой. 

Размер ячейки пикселя

По мере увеличения размера пиксельной ячейки улучшается светочувствительность матрицы, благодаря расширению площади приема светового потока. Соответственно, повышается качество видеосъемки в условиях недостаточной освещенности, например, на улице ночью.

Количество пикселей

От количества пикселей зависит четкость и детализация получаемого видеоизображения. Чем больше пикселей, тем четче картинка и тем больше деталей можно на ней рассмотреть.

Параметры выбора матрицы камеры видеонаблюдения

Каждый хочет выбрать камеру видеонаблюдения, максимально соответствующую особенностям объекта, на котором она будет установлена. При покупке важно соблюсти баланс между своими требованиями к видеокамере и реально нужными параметрами. 

Зачастую требования намного превышают разумную необходимость, и приходится платить больше за расширенную функциональность камеры. Нет, мы не призываем экономить на безопасности, но стоит во всем соблюдать меру.

Развертка

При выборе видеокамеры однозначно необходимо выбирать видеооборудование с прогрессивной разверткой. Это самый передовой вариант развертки, позволяющий формировать каждый кадр в формате полного видеоизображения.

В отличие от устаревшей чересстрочной развертки, в этом режиме работы формируется 480 строк кадра в каждом проходе без разделения на полукадры из четных и нечетных строк. В камерах с прогрессивной разверткой видеоизображение передается целиком, а не раздельными полями (массивами видеоданных).

Прогрессивная развертка обеспечивает получение видео с минимальными шумами, высокой четкостью движущихся объектов и минимумом нелинейных искажений. Чтобы по максимуму использовать преимущества прогрессивной развертки, потребуется дисплей с высоким разрешением.

Разрешение матрицы камеры

Большинство покупателей считает, что высокое разрешение — гарантия идеального видеоизображения. Это на самом деле так. Но есть важные нюансы, которые лучше учитывать при выборе разрешения.

Видеокамера с высоким разрешением выдает видеопоток большого объема, для которого потребуется повышенная пропускная способность канала передачи. Соответственно, понадобится видеосервер с более мощным процессором и большим объемом памяти. А это – дополнительные расходы, которые не всегда предусмотрены в бюджете.    

Кроме того, важно понимать, что происходит простой размен: высокое разрешение на сниженную чувствительность. Потому что с увеличением числа пикселей, уменьшается их размер и, соответственно, площадь на которую принимается свет.

Для большинства задач, решаемых системами видеонаблюдения, вполне достаточно камер с разрешением 2 Мп. Если необходима более высокая детализация изображения, то подойдут модели с разрешением 5 Мп. Хотите платить больше? Тогда покупайте видеокамеры на 8 или 12 Мп.

Формат

Под форматом матрицы понимается размер ее диагонали, который определяет угол обзора при использовании объективов, отличающихся по фокусному расстоянию. При выборе этой характеристики, нужно учитывать несложную зависимость: чем больше формат, тем больше угол обзора. 

Соотношение сторон кадра и матрицы

Этот параметр характеризует соотношение ширины матрицы к ее высоте. Типовые значения: 4:3 и 16:9. Оптимальным считается соотношение 16:9, которое обеспечивает лучшие углы обзора по горизонтали и вертикали.

«Коридорная» съемка

Функция «коридорной» съемки реализована только в цифровых камерах видеонаблюдения. Ее суть в получении видеоизображения в вертикальной ориентации вместо горизонтальной. То есть, например, вместо формата 16:9 получается 9:16.

Этот вариант оптимально подходит для видеонаблюдения на объектах, где горизонтальная видеосъемка не обеспечивает полного контроля территории. Он актуален для наблюдения за коридорами зданий, тоннелями, подземными переходами и другими аналогичными объектами.

Какой размер предпочтительнее

При выборе размера матрицы аналоговой или цифровой камеры для системы видеонаблюдения лучше учитывать, что с его увеличением повышается световая чувствительность, а значит улучшается видимость в условиях малой освещенности. 

Поэтому лучше для уличной установки выбирать 1/2.8″, 1/2.7″ или большего размера. Для наблюдения внутри зданий с хорошим искусственным освещением вполне подойдут модели 1/3″ и 1/4″. Поворотные видеокамеры PTZ должны быть оснащены светочувствительным сенсором 1/2″. Чем больше размер матрицы, тем дороже она стоит. Это общее правило, которое нужно учитывать.